工程材料力學(xué)性能第八章

第八章金屬高溫力學(xué)性能

金屬材料在高溫下的力學(xué)性能，不能只簡(jiǎn)單地用常溫下短時(shí)拉伸的應(yīng)力—應(yīng)變曲線來評(píng)定，還必須考慮溫度與時(shí)間兩個(gè)因素。溫度與時(shí)間的聯(lián)合作用影響材料的斷裂路徑（圖8-1）。金屬的約比溫度—T/Tm

T—試驗(yàn)溫度Tm—金屬熔點(diǎn)

T/Tm＞0.5高溫

T/Tm＜0.5低溫第一節(jié)金屬的蠕變現(xiàn)象

一、蠕變和蠕變斷裂的定義

1、蠕變?nèi)渥儯饘僭陂L(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。蠕變?cè)谳^低溫度下也會(huì)產(chǎn)生，但只有當(dāng)約比溫度＞0.3時(shí)才比較顯著。

2、蠕變斷裂由于蠕變變形而最后導(dǎo)致金屬材料的斷裂稱為蠕變斷裂。二、金屬的蠕變曲線（圖8-2）（圖8-3）

蠕變曲線根據(jù)蠕變速率(ε＝dδ/dτ)可分為三個(gè)階段:

第一階段（ab）減速蠕變階段

第二階段（bc）恒速蠕變階段

第三階段

(cd)加速蠕變階段故蠕變與時(shí)間的關(guān)系可以表示為：δ=δ0+f(τ)+Dτ+φ(τ)

其中δ0為瞬時(shí)應(yīng)變；f(τ)為減速蠕變；Dτ恒速蠕變；φ(τ)為加速蠕變。三、應(yīng)力松馳

在規(guī)定溫度和初始應(yīng)力條件下，金屬材料中的應(yīng)力隨時(shí)間增加而減小的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松馳。應(yīng)力松馳現(xiàn)象可看作是應(yīng)力不斷降低條件下的蠕變過程。第二節(jié)蠕變變形與斷裂機(jī)理

一、蠕變變形機(jī)理1、位錯(cuò)滑移蠕變高溫下由于溫度升高，位錯(cuò)可借助于外界提供的熱激活能和空位擴(kuò)散未克服某些短程障礙，從而使變形不斷產(chǎn)生。刃位錯(cuò)錯(cuò)攀移克服障礙模型如圖示。2、擴(kuò)散蠕變?cè)谳^高約比溫度下，大量原子和空位定向移動(dòng)造成的。3、晶界滑動(dòng)蠕變高溫下、晶界上的原子容易擴(kuò)散，受力后易產(chǎn)生滑動(dòng)，故促進(jìn)蠕變進(jìn)行?？偟膩碚f，它在總?cè)渥兞恐兴急壤⒉淮?，約為10%左右。溫度↑、應(yīng)力↓、晶粒度↓→晶界滑動(dòng)↑

二、蠕變斷裂機(jī)理

蠕變斷裂有兩種情況：一是對(duì)于那些不含裂紋的高溫機(jī)件，在高溫長(zhǎng)期服役過程中，由于蠕變裂紋相對(duì)均勻地在機(jī)件內(nèi)部萌生和擴(kuò)展，顯微結(jié)構(gòu)變化引起蠕變抗力的降低以及環(huán)境損傷導(dǎo)致斷裂（主要討論）另一種情況是高溫機(jī)件中，原來就存在裂紋或類似裂紋的缺陷，其斷裂是由于主裂紋的擴(kuò)展引起的，這方面的研究始于上世紀(jì)60年代后期，屬于高溫?cái)嗔蚜W(xué)范疇。1、在三晶粒交會(huì)處形成的楔形裂紋

(顯微照片）

在高應(yīng)力和較低溫度下，由于晶界滑動(dòng)在三晶粒交匯處受阻，造成應(yīng)力集中形成空洞，若空洞相互連接便形成楔形裂紋。

2、在晶界上由空洞形成的晶界裂紋（顯微圖）

較低應(yīng)力和較高溫度下，在晶界上的突起部位和細(xì)小的第二相質(zhì)點(diǎn)附近，由于晶界滑動(dòng)而產(chǎn)生空洞。由以上兩種方式形成的裂紋，進(jìn)一步依靠晶界滑動(dòng)，空位擴(kuò)散和空洞連接而擴(kuò)展，最終導(dǎo)致沿晶斷裂。三、蠕變斷裂斷口特征

1、蠕變斷裂斷口的宏觀特征（1）在斷口附近產(chǎn)生塑性變形，在變形區(qū)域附近有很多裂紋，使斷裂機(jī)件表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象；（2）由于高溫氧化，斷口表面往往被一層氧化膜所覆蓋。2、斷口的微觀特征主要為冰糖狀花樣的沿晶斷裂形貌第三節(jié)金屬高溫力學(xué)性能指標(biāo)及其影響因素

一、蠕變極限

蠕變極限是金屬材料在高溫長(zhǎng)時(shí)載荷作用下的塑性變形抗力指標(biāo)一般有兩種表示方式：

1、在規(guī)定溫度（t）下，使試樣在規(guī)定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)蠕變速率不超過規(guī)定值的最大應(yīng)力，以符號(hào)σεt表示。

2、在規(guī)定溫度（t）下和規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間（τ）內(nèi)，使試樣產(chǎn)生的蠕變總伸長(zhǎng)率（δ）不超過規(guī)定值的最大應(yīng)力，以符號(hào)σtδ/τ表示。

這兩種蠕變極限與伸長(zhǎng)率之間有一定的關(guān)系。在使用上選用哪種表示應(yīng)視蠕變速率與服役時(shí)間而定。若蠕變速率大而服役時(shí)間短，可取前一種表示（σεt）。若服役時(shí)間長(zhǎng)，則取后一種（σtδ/τ

）

蠕變極限的測(cè)定按GB2039-80《金屬拉伸蠕變?cè)囼?yàn)方法》進(jìn)行。二、持久強(qiáng)度極限

金屬材料的持久強(qiáng)度極限－在高溫長(zhǎng)時(shí)載荷作用下的斷裂強(qiáng)度。持久強(qiáng)度極限是在規(guī)定溫度(t)下，達(dá)到規(guī)定的持續(xù)時(shí)間（τ）而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力值，以στt表示。金屬持久強(qiáng)度極限的測(cè)定GB6395-86《金屬高溫拉伸持久試驗(yàn)方法》

通過高溫持久試驗(yàn)，測(cè)量試樣斷裂后的伸長(zhǎng)率及斷面收縮率，還能反映出材料在高溫下的持久塑性。許多鋼種在短時(shí)間試驗(yàn)時(shí)，其塑性較好，但經(jīng)高溫長(zhǎng)時(shí)加載后塑性有顯著降低的趨勢(shì)。

三、松馳穩(wěn)定性

金屬材料在恒變形的條件下，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，彈性應(yīng)力不斷降低的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松馳。材料抵抗應(yīng)力松馳的性能稱為松馳穩(wěn)定性。松馳穩(wěn)定性可以通過松馳試驗(yàn)測(cè)定的應(yīng)力松弛曲線來評(píng)定。

具體試驗(yàn)方法按GB10120-88《金屬應(yīng)力松馳試驗(yàn)方法》

剩余應(yīng)力σr——應(yīng)力松馳試驗(yàn)中，任一時(shí)間試樣上所保持的應(yīng)力。

松馳應(yīng)力σre——初始應(yīng)力與剩余應(yīng)力之差，即所減少的應(yīng)力。

剩余應(yīng)力σr是評(píng)定金屬材料應(yīng)力松馳穩(wěn)定性的指標(biāo)，相同條件下，剩余應(yīng)力愈高者，其松馳穩(wěn)定性愈好。

四、影響金屬高溫力學(xué)性能的主要因素

1、合金化學(xué)成分的影響

2、冶煉工藝的影響①鋼中的夾雜物和某些冶金缺陷→持久強(qiáng)度極限↓②雜質(zhì)元素和氣體含量↑→熱強(qiáng)性↓,蠕變脆性↑③采用定向凝固工藝，使柱狀晶沿受力方向生長(zhǎng)，減少橫向晶界，可使持久強(qiáng)度極限↑↑。

3、熱處理工藝的影響

4、晶粒度的影響第四節(jié)其它高溫力學(xué)性能

一、高溫短時(shí)拉伸性能高溫短時(shí)拉伸試驗(yàn)按GB4338-84《金屬高溫拉伸試驗(yàn)方法》。主要用來測(cè)定金屬在高于室溫時(shí)的規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力σp、屈服強(qiáng)度σs、抗拉強(qiáng)度σb、斷后伸長(zhǎng)率δ及斷面收縮率ψ等性能指標(biāo)。二、高溫硬度對(duì)于高溫軸承及某些工具材料等，金屬材料的高溫硬度是重要的性能指標(biāo)。一般測(cè)量高溫硬度時(shí)，加載時(shí)間較短（30~60s），但有時(shí)為了顯示蠕變的影響，特地將加載時(shí)間延續(xù)1~5h，所得結(jié)果叫持久硬度。三、高溫疲勞性能

通常把高于再結(jié)晶溫度所發(fā)生的疲勞叫做高溫疲勞。1、高溫疲勞的特點(diǎn)試驗(yàn)溫度↑→高溫疲勞強(qiáng)度↓，但和持久強(qiáng)度相比下降較慢，所以存在一交點(diǎn)。在交點(diǎn)左邊，材料主要是疲勞破壞；在交點(diǎn)以右，則以持久強(qiáng)度為主要設(shè)計(jì)指標(biāo)。交點(diǎn)溫度隨材料不同而不同。高溫疲勞的最大特點(diǎn)是與時(shí)間相關(guān)。所以描述高溫疲勞的參數(shù)除與室溫相同的外，還需增加與時(shí)間有關(guān)的參數(shù)，如加載頻率、波形和應(yīng)變速率。加載頻率↓、應(yīng)變速率↓、拉應(yīng)力保持時(shí)間↑→疲勞壽命↓2、疲勞和蠕變的交互作用高溫疲勞中主要存在疲勞損傷成分和蠕變損傷成分。近年來的研究表明:在一定的條件下，兩種損傷過程不是各自獨(dú)立發(fā)展，而是存在交互作用，交互作用的結(jié)果可能會(huì)加劇損傷過程，使疲勞壽命大大降低。交互作用的大小與材料的持久塑性有關(guān)。試驗(yàn)表明：材料的持久塑性越好，則交互作用程度越小。交互作用亦與試驗(yàn)條件有關(guān)。

考試題型：一.填空（25分）二.名詞解釋（20分，每題5分）三.簡(jiǎn)答（30分，共4題）四.計(jì)算題（10分）五.論述題（15分）溫度和速率對(duì)金屬斷裂路徑的影響二、金屬的蠕變曲線

刃位錯(cuò)攀移克服障礙的模型擴(kuò)散蠕變

金屬的應(yīng)力松馳曲線

溫度、應(yīng)力對(duì)蠕變曲線的影響

1、合金化學(xué)成分的影響材料成分不同，蠕變的熱激活能不同。熱激能高的材料，蠕變變形就困難，蠕變極限、持久強(qiáng)度、剩余應(yīng)力就高。①熔點(diǎn)高、自擴(kuò)散激活能大或?qū)渝e(cuò)能低的金屬及合金→蠕變速率↓；面心立方結(jié)構(gòu)的金屬其高溫強(qiáng)度＞體心立方結(jié)構(gòu)的金屬；②基體金屬中加入Cr、Mo、W、Nb等合金元素形成單相固熔體→蠕變極限↑固溶元素溶點(diǎn)↑，原子半徑與基體原子相差愈大→熱強(qiáng)性↑③合金中加入能形成彌散相的合金元素→高溫強(qiáng)度↑彌散相粒子硬度↑、彌散度↑、穩(wěn)定性↑→強(qiáng)化作用↑④添加能增加晶界擴(kuò)散激活能的元素（如硼、稀土等）→蠕變極限↑、高溫持久強(qiáng)度↑。3、熱處理工藝的影響①珠光體耐熱鋼一般采用正火加高溫回火工藝。正火溫度應(yīng)較高；回火溫度應(yīng)高于使用溫度100－150℃。②奧氏體耐熱鋼或合金一般進(jìn)行固溶處理和時(shí)效。目的是得到適當(dāng)?shù)木Я６?/p>